LA CORSA AL 2D - IN CHE SENSO IL FUTURO SARÀ BIDIMENSIONALE? DOPO LA SCOPERTA NEL 2004 DEL GRAFENE È IL TURNO DEGLI MXENES, E LE POTENZIALITÀ SONO FANTASCIENTIFICHE: BATTERIE A RICARICA ULTRAVELOCE, DISPOSITIVI ELETTRONICI PIEGHEVOLI, SENSORI ULTRASENSIBILI PER LA DIAGNOSTICA MEDICA, MATERIALI CHE PURIFICANO DELLE ACQUE... - CHI SARÀ IN GRADO DI SVILUPPARE QUESTE TECNOLOGIE RAGGIUNGERÀ UN VANTAGGIO COMPETITIVO FONDAMENTALE - E INDOVINATE CHI STA GIÀ INVESTENDO PER VINCERE LA GARA? I CINESI...
Plinio Innocenzi per www.businessinsider.com
La scoperta del grafene nel 2004 da parte di due fisici dell’università di Manchester ha rappresentato una svolta fondamentale nello sviluppo delle nanoscienze poiché ha aperto un vaso di Pandora da cui è fuoriuscito un piccolo universo completamente nuovo fatto di due sole dimensioni, i cosiddetti materiali bidimensionali.
Il grafene in realtà era sempre stato sotto i nostri occhi perché è semplicemente uno dei tanti foglietti di spessore monoatomico che formano la grafite, un materiale molto comune che utilizziamo ad esempio per scrivere con le matite. È bastato escogitare il trucco di utilizzare del banale nastro adesivo per riuscire a isolare un singolo foglio di grafene e… vincere un premio Nobel. Una volta isolato il grafene si sono presto comprese le sue straordinarie proprietà.
ricostruzione al computer di un foglio di grafene
Il grafene è formato solamente da atomi di carbonio legati tra di loro tramite un legame covalente, quindi molto forte, in una struttura a esagoni. I singoli fogli che sovrapposti formano la grafite sono invece tenuti insieme da legami secondari, quindi più deboli dei legami chimici. Per questo è relativamente semplice esfoliare la grafite per ottenerne grafene. La particolare conformazione di questo materiale bidimensionale fa sì che si formi una sorta di autostrada per gli elettroni che sono liberi di muoversi senza ostacoli facendo del grafene un semiconduttore molto speciale.
Non solo, il grafene, come i suoi parenti stretti i nanotubi di carbonio, ha anche proprietà meccaniche straordinarie che lo rende resistentissimo, centinaia di volte più dell’acciaio pur potendosi deformare facilmente.
Proprietà tanto uniche da generare una vera e propria corsa alla tecnologia del grafene con annunci di scoperte e applicazioni rivoluzionarie a getto continuo.
Le aspettative sono così elevate che alcuni stati e aziende hanno pensato di assicurarsi ampie riserve della materia prima da cui si ricava il grafene, ossia la grafite.
A sedici anni dalla sua scoperta tuttavia non ci sono ancora le applicazioni rivoluzionarie che si attendevano a breve anche se le aspettative rimangono indubbiamente ancora altissime.
Il grafene ha avuto però un altro importate merito, ha fatto comprendere, come aveva detto il fisico statunitense Richard Feynman, che c’è ancora un sacco di spazio lì sotto, alludendo al nano mondo. Se utilizzando del nastro adesivo si era riusciti ad isolare il grafene, probabilmente, si è presto intuito, esistevano tanti materiali bidimensionali ancora da scoprire. Questi materiali possono essere immaginati, esattamente come il grafene, come fogli sottilissimi dello spessore di un atomo.
La caccia ha portato in breve a risultati interessantissimi. I primi ad essere stati scoperti sono i materiali 2D con una struttura a strati simile a quella della grafite, in particolare quelli formati da dicalcogenuri di metalli di transizione. I singoli fogli di questi materiali sono formati ad esempio da uno strato di molibdeno o tungsteno tra due strati di zolfo, o selenio o tellurio. Uno di questi è il disolfuro di molibdeno (MoS2) o di tungsteno (WS2). Questi materiali bidimensionali sono quindi formati da tre strati atomici e sono dei ‘semiconduttori a band gap diretto’, cioè in grado di emettere luce quando eccitati anche dalla luce visibile.
Se i diversi materiali 2D vengono sovrapposti in modo opportuno formano dei sistemi stratificati, definiti come eterostrutture di Van der Waals, che possono essere utilizzate per la fabbricazione di dispositivi di nuova generazione per l’optoelettronica e la fotonica.
Un altro straordinario materiale bidimensionale è il nitruro di boro, il cosiddetto grafene bianco, poiché ha la stessa struttura monoatomica a legami covalenti esagonali tra boro e azoto. Contrariamente al grafene che è un ottimo conduttore, il nitruro di boro è un semiconduttore con un elevatissimo bandgap, ossia è necessaria un’eccitazione con luce di alta energia, nell’ultravioletto, per farlo condurre, tuttavia è un ottimo conduttore di calore e con un’elevatissima resistenza meccanica.
La famiglia dei materiali bidimensionali si stima sia composta da qualche migliaia di elementi, dei quali solo alcune decine sono stati al momento studiati. Una vera miniera d’oro ancora da scoprire.
Le sorprese nel nano mondo a due dimensioni non sono finite qui però. Infatti ancora più recentemente, nel 2011, sono stati sintetizzati materiali bidimensionali ancora più esotici, i MXenes (messeni). Questa famiglia di materiali 2D è forse la più grande e potrebbe comprendere decine di migliaia di elementi. Il nome, piuttosto strano, deriva da composti ceramici formati da un metallo di transizione, M (come molibdeno o titanio), un elemento come l’alluminio o silicio, A, e un atomo di carbonio o azoto, X, che formano le cosiddette fasi MAX. Da queste fasi, eliminando uno dei componenti, come l’alluminio, si ottengono dei carburi bidimensionali, come ad esempio il Ti3C2. Il risultato del processo di esfoliazione delle fasi MAX sono appunto i MXenes, in qualche modo parenti del grafene, i nipoti del progenitore bidimensionale.
Uno degli aspetti più affascinanti dei MXenes è che prima della loro scoperta non era neanche previsto che esistessero mentre ora si ritiene che ci possano essere teoricamente milioni di possibili combinazioni di metalli di transizione con carbonio e azoto in grado di formare MXenes. Si tratterà di capire quali di queste combinazioni sono stabili; una stima teorica ha valutato che potrebbero esserci fino a un milione di possibili MXenes stabili, una prospettiva mozzafiato per il mondo della ricerca.
Quali applicazioni possono avere i MXenes? Si possono prospettare nuove generazioni di materiali avanzati, per esempio i MXenes possono subire notevoli deformazioni meccaniche pur continuando a condurre elettricità. Batterie a ricarica ultraveloce, dispositivi elettronici pieghevoli, sensori ultrasensibili per la diagnostica medica, materiali per la purificazione delle acque. Un’applicazione molto affascinante che si prospetta è la fabbricazione di nanogeneratori triboelettrici, che trasformano i movimenti muscolari in energia elettrica. Questo permetterebbe di raccogliere l’energia generata dall’attrito, ad esempio, dalle contrazioni muscolari, durante la digitazione o una camminata e convertirla in energia elettrica. Questa tecnologia se incorporata nei cellulari li renderebbe in grado di autoalimentarsi.
Le prospettive aperte dai materiali bidimensionali sono dunque veramente straordinarie ed è facile immaginare che nei prossimi anni il Paese che sarà in grado di sviluppare dal punto di vista industriale queste tecnologie raggiungerà un vantaggio competitivo fondamentale. La corsa è solo cominciata e Paesi come la Cina stanno investendo grandi risorse finanziarie e umane per attrezzarsi a vincere la gara.
